基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾高效實現(xiàn)方法研究*

和小濤，王玉文，朱志展，劉 奇

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院飛行器集群智能感知與協(xié)同控制四川省重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引言

數(shù)字射頻儲存器（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）是雷達(dá)干擾機(jī)的關(guān)鍵部件，能高保真地存儲與復(fù)制信號，利用移頻、時延等調(diào)制方式，產(chǎn)生高逼真度的欺騙信號，從而實現(xiàn)對雷達(dá)目標(biāo)的欺騙式干擾[1-2]。傳統(tǒng)DRFM 架構(gòu)的雷達(dá)干擾系統(tǒng)采集與存儲中頻或基帶信號，存在監(jiān)視帶寬有限、干擾樣式單一、信號處理數(shù)據(jù)率高以及硬件資源利用較多的缺點。而隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)信號一般能達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲，且現(xiàn)代雷達(dá)干擾模擬系統(tǒng)需要多種干擾模式的模擬。基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾高效實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了在低數(shù)據(jù)率和較小的硬件資源消耗下對1 GHz 帶寬的雷達(dá)信號進(jìn)行干擾。在該方案中，通過對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行高速AD 采樣，從而將雷達(dá)信號進(jìn)行數(shù)字化，利用基于多相濾波結(jié)構(gòu)的分析濾波器組技術(shù)實現(xiàn)對雷達(dá)信號瞬時頻率的分選以及將信號處理的數(shù)據(jù)率降低，在低數(shù)據(jù)率下完成對雷達(dá)信號的多模干擾，同時通過簡單邏輯控制即可實現(xiàn)對指定信號的屏蔽功能，對通過基于多相濾波結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組實現(xiàn)對雷達(dá)干擾信號的發(fā)射。

1 方法原理

1.1 基本工作原理

基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾模擬高效實現(xiàn)方案，如圖1 所示。系統(tǒng)由收發(fā)天線、微波模塊、分析-綜合濾波器組處理模塊、數(shù)字偵查單元以及干擾信號產(chǎn)生單元等模塊組成。收發(fā)天線用于雷達(dá)信號的接收與干擾調(diào)制信號的發(fā)射。微波模塊包括下變頻和上變頻兩部分：下變頻部分用于將接收到的雷達(dá)信號下變頻至中頻1.8 GHz 帶寬1 GHz 中頻信號；上變頻部分用于將干擾模塊產(chǎn)生的中頻1.8 GHz帶寬1 GHz 的干擾中頻信號進(jìn)行上變頻。

圖1 基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾模擬總體方案

分析濾波器組處理模塊在對經(jīng)ADC 采集的中頻1.8 GHz 帶寬1 GHz 的中頻信號進(jìn)行抽取濾波下變頻成數(shù)字基帶信號后，完成接收信號的寬帶數(shù)字信道化處理和信號分選。中頻信號經(jīng)過數(shù)據(jù)率轉(zhuǎn)換單元抽取濾波下變頻成數(shù)字基帶信號；綜合濾波器組處理模塊在對干擾基帶信號進(jìn)行內(nèi)插上變頻中頻1.8 GHz 帶寬1 GHz 的中頻信號后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換完成干擾信號的發(fā)射。

數(shù)字偵察單元主要用于對目標(biāo)信號進(jìn)行偵察截獲，分析其信號參數(shù)，為干擾產(chǎn)生單元提供被干擾對象的信號參數(shù)、干擾樣式和干擾參數(shù)。偵察單元在干擾過程中的另一個作用是對被干擾的目標(biāo)信號進(jìn)行監(jiān)視，檢測其信號參數(shù)和工作狀態(tài)的變化，即時調(diào)整干擾策略和參數(shù)。

干擾信號產(chǎn)生單元是本系統(tǒng)的核心，主要包括干擾產(chǎn)生通道、單頻及窄帶干擾產(chǎn)生通道和脈沖干擾信號產(chǎn)生通道等。它的功能在于在低數(shù)據(jù)率下對雷達(dá)信號進(jìn)行采集和數(shù)字處理，并經(jīng)過與干擾信息的調(diào)制產(chǎn)生基帶干擾信息，最后經(jīng)過綜合濾波器組和寬帶DAC 變換后得到所需的中頻干擾信號。

1.2 基于多相結(jié)構(gòu)的分析與綜合濾波器組

1.2.1 基于多相結(jié)構(gòu)的分析濾波器組

基于多相結(jié)構(gòu)的分析濾波器組的基本原理是將接收到的全頻帶信號進(jìn)行頻帶劃分，把信號劃分成若干個不同的子頻帶，然后分別對各個子頻帶進(jìn)行處理。對接收的全頻帶信號用一組濾波器進(jìn)行濾波，不同頻率信號從不同的通道輸出。

分析濾波器組的原型結(jié)構(gòu)抽取器在濾波器后，不利于工程實現(xiàn)。如圖2 所示，文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)得出基于多相結(jié)構(gòu)的分析濾波器組高效結(jié)構(gòu)，第k個通道的輸出為：

其中：

圖2 基于多相結(jié)構(gòu)的分析濾波器組高效結(jié)構(gòu)

1.2.2 基于多相結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組

基于多相結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組是基于多相結(jié)構(gòu)的逆向過程，本質(zhì)是將K個子信道的基帶信號進(jìn)行M倍內(nèi)插和濾波，再分別進(jìn)行特定的頻移wk(k=0,1,2,…)，然后將K個頻移后的信號相加取其實部，便能得到基于綜合濾波器組的發(fā)射信號。

綜合濾波器組的原型結(jié)構(gòu)內(nèi)插器在濾波器前，不利于工程實現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了基于多相結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組的高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，輸出信號為：

式中：

其中，MOD表示取余數(shù)。

圖3 為基于多相結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組的高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，濾波器組移至內(nèi)插器前，使得數(shù)據(jù)處理總量顯著降低。此外，濾波器組借助多相濾波原理進(jìn)行實現(xiàn)，綜合濾波器組的高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)總的乘法器使用量與原型濾波器的使用量相同。

圖3 基于多相結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組的高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1.3 干擾工作原理

密集假目標(biāo)干擾實現(xiàn)基本原理。干擾機(jī)對雷達(dá)脈沖進(jìn)行全脈沖采樣，在轉(zhuǎn)發(fā)干擾時，干擾機(jī)對采樣的全脈沖進(jìn)行逐個的延遲后再疊加，可以實現(xiàn)壓制或欺騙性的密集假目標(biāo)干擾。

硬件實現(xiàn)原理。在FPGA 中選用FIFO 存儲器對脈沖信號進(jìn)行延遲操作，每一級的延遲由一個FIFO 完成，每一級的延遲時間對應(yīng)FIFO 的存儲深度，最后將多級延遲進(jìn)行疊加并輸出。

分析綜合濾波器組的仿真條件選取為輸入LFM信號為中心頻率為1 818 MHz、帶寬10 MHz、脈沖寬度10 μs 以及采樣率為2.4 Gsps，假目標(biāo)個數(shù)為20 個。綜合濾波器組輸出結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 所示的matlab 仿真結(jié)果表明，對于某頻率的輸入信號，本文所采用的基于多相結(jié)構(gòu)的分析綜合濾波器組的架構(gòu)能夠保證干擾效果，借此驗證了架構(gòu)的正確性。

ADC 采樣后的中頻雷達(dá)信號由分析濾波器組經(jīng)過抽取濾波處理后得到K 路基帶信號，經(jīng)過信道檢測后干擾調(diào)制。由上位機(jī)輸入需要保護(hù)屏蔽的信號頻點并進(jìn)行通道搜索，對信號所在通道數(shù)據(jù)直接置零即可。圖6 為對指定雷達(dá)信號的保護(hù)屏蔽功能實現(xiàn)框圖。

圖4 1～20 個密集假目標(biāo)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖5 LFM 信號分析綜合濾波器組仿真結(jié)果

圖6 對指定雷達(dá)信號的保護(hù)屏蔽功能實現(xiàn)

2 硬件高效實現(xiàn)

硬件驗證平臺為搭載Xilinx 公司XC7V690T 芯片的信號處理板卡，外圍AD 芯片AD9625 與AD芯片AD9129 承載著信號域轉(zhuǎn)換的任務(wù)。

ADC 采樣時鐘為2.4 GHz，基于多相濾波結(jié)構(gòu)的分析濾波器組采用32 通道，則經(jīng)過信號經(jīng)過32倍抽取與濾波后數(shù)據(jù)隨路時鐘降為75 MHz，在低數(shù)據(jù)率下對雷達(dá)信號進(jìn)行干擾處理，大大降低了硬件資源壓力。硬件資源使用量如圖7 所示。

圖7 硬件資源使用量

DRFM 架構(gòu)的干擾模擬器在進(jìn)行假目標(biāo)密集復(fù)制干擾時，設(shè)置假目標(biāo)個數(shù)為1 個，延時量為1 ms，在2.4 GHz采樣率下延時的點數(shù)為1 ms/2.4 GHz=2 400 000 個，在信號處理時量化位數(shù)為16 bit 下消耗的存儲資源BRAM 為2 400 000×16/36 kb=1 200個。在使用基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾模擬高效實現(xiàn)方案時，延時的點數(shù)為1 ms/75 MHz=75 000 個，在信號處理時量化位數(shù)為16 bit下消耗的存儲資源BRAM 為75 000×16/36 kb=38個。由此可見，新方案能夠大大降低硬件資源使用量。若設(shè)置假目標(biāo)個數(shù)為多個，DRFM 架構(gòu)的干擾模擬器的硬件資源使用量將呈幾何級數(shù)增加。圖8為高效實現(xiàn)方案下20 個假目標(biāo)密集復(fù)制干擾時域波形圖。

對指定信號進(jìn)行保護(hù)屏蔽硬件測試，設(shè)置干擾命令為帶寬600 MHz 的寬帶噪聲，通過上位機(jī)輸入多個需要保護(hù)的信號頻點。圖9 為對指定信號進(jìn)行保護(hù)屏蔽硬件測試頻譜圖。

圖8 20 個假目標(biāo)密集復(fù)制干擾時域波形

圖9 對指定信號進(jìn)行保護(hù)屏蔽硬件測試頻譜

3 結(jié)語

本文提出了一種基于分析-綜合濾波器組的雷達(dá)多模干擾模擬高效實現(xiàn)方案，通過對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行高速AD 采樣，將雷達(dá)信號進(jìn)行數(shù)字化，利用基于多相濾波結(jié)構(gòu)的分析濾波器組技術(shù)，實現(xiàn)對雷達(dá)信號瞬時頻率的分選以及將信號處理的數(shù)據(jù)率降低，在低數(shù)據(jù)率下完成對雷達(dá)信號的多模干擾，同時通過簡單邏輯控制即可實現(xiàn)對指定信號的屏蔽功能，對通過基于多相濾波結(jié)構(gòu)的綜合濾波器組實現(xiàn)對雷達(dá)干擾信號的發(fā)射。硬件測試結(jié)果表明，該方法能夠?qū)? GHz 帶寬的雷達(dá)信號進(jìn)行多模干擾與保護(hù)屏蔽。